DE1904739A1 - Process for the aftertreatment of polyethylene in a shear unit - Google Patents
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Description
Badische Anilin- & Soda-Fabrik AGBadische Anilin- & Soda-Fabrik AG
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6700 Ludwigshafen, 30.1.1969 Verfahren zum Nachbehandeln τοη Polyäthylen in einem Scheraggregat6700 Ludwigshafen, January 30, 1969 Process for post-treatment τοη polyethylene in a shear unit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachbehandeln von Polyäthylen in einem Scheraggregat, insbesondere einer Schneckenpresse, wobei das in einem Hochdruckprozeß hergestellte Polyäthylen unter Ausschluß von Luftsauerstoff in schmelzflüssiger . Form bei einer Temperatur von 200° bis 3000C und einer Viskosität von 5 x 10 bis 1 χ 10v Poise in das Scheraggregat eingeführt und einem Schergefälle ausgesetzt wird.The invention relates to a method for the aftertreatment of polyethylene in a shearing unit, in particular a screw press, the polyethylene produced in a high pressure process in molten form with the exclusion of atmospheric oxygen. Form at a temperature of 200 ° to 300 0 C and a viscosity of 5 x 10 to 1 χ 10 v Poise is introduced into the shear assembly and exposed to a shear gradient.
Zur Herstellung von Halbzeug und Normteilen aus Polyäthylenschmelze oder -granualt werden vorzugsweise Polymerisate verwendet, die bei den üblichen Verarbeitungstemperaturen von über 2000O gute Fließeigenschaften und gute WärmeStabilität besitzen. Aus diesen Polymerisaten gefertigtes Halbzeug, wie Schlauchfolien, Rohre und Platten, oder Fertigteile, wie Flaschen, Haushaltsgeräte und Spielwaren müssen eine gute mechanische Festigkeit, glatte, möglichst glänzende Oberflächen, z.T. auch gute Transparenz aufweisen. Sie sollen Spannungsrißkorrosionen durch atmosphärische Einflüsse oder durch Netzmittel (Tenside) widerstehen. For the production of semifinished products and standard parts from polyethylene melt or granules, it is preferred to use polymers which have good flow properties and good thermal stability at the usual processing temperatures of over 200 0. Semi-finished products made from these polymers, such as tubular films, pipes and plates, or finished parts such as bottles, household appliances and toys must have good mechanical strength, smooth surfaces that are as shiny as possible, and in some cases also good transparency. They should withstand stress corrosion cracking caused by atmospheric influences or by wetting agents (surfactants).
Bei der Herstellung von Polyäthylen entstehen durch unterschiedliche
Verweilzeiten des Reaktionsgemiscbes in dem Reaktionsraum
und den nachfolgenden Abscheidern sowie durch unterschiedliche Polymerisationstemperaturen in den einzelnen Abschnitten
der Polymerisationsanlage, z.B. eines Röhrenreaktors, im Polyäthylen oftmals auch Anteile, die sich im Molekulargewicht
und in der Molekulargewichtsverteilung und folglich in ihren rheologischen und auch ihren optischen Eigenschaften von
der Hauptmasse unterscheiden. Außerdem können diese Schmelzen Anteile an vernetzten Polyäthylenpartikeln, sogenannte Stippen,
enthalten. Formteile, die aus solchen Schmelzen hergestellt werden, sind meistens unbrauchbar oder in ihrem Verkaufswert erheblich
gemindert.
118/68. 009834/1788 -2- In the production of polyethylene, the different residence times of the reaction mixture in the reaction chamber and the subsequent separators as well as different polymerization temperatures in the individual sections of the polymerization plant, e.g. a tubular reactor, often result in proportions in the polyethylene that are in the molecular weight and in the molecular weight distribution and consequently in distinguish their rheological and also their optical properties from the main mass. In addition, these melts can contain proportions of crosslinked polyethylene particles, so-called specks. Molded parts that are made from such melts are usually unusable or have considerably reduced sales value.
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Man hat immer wieder versucht, diese der Polyäthylenschmelze anhaftenden Mangel bereits während der Polymerisation abzustellen. Es ist bisher jedoch noch nicht gelungen, den Hochdruck-Polyäthylenprozeß so zu führen, daß alle Eigenschaften des Polyäthylens optimal sind. Auch durch nachfolgende Verfahrensschritte konnte die Qualität nur teilweise verbessert werden. Attempts have been made again and again to fix these adhering to the polyethylene melt To remedy the deficiency already during the polymerization. So far, however, it has not yet been possible to carry out the high-pressure polyethylene process in such a way that all the properties of the polyethylene are optimal. The quality could only be partially improved by subsequent process steps.
So ist es beispielsweise bekannt, die Polyäthylenschmelze in Homogenisieraggregaten einem Schergefälle auszusetzen, wobei die störenden Anteile zerkleinert und in der Schmelze homogen verteilt oder gelöst werden sollen. Dabei versuchte man bisher, hohe Schubspannungen in den Scherbereichen der Homogenisieraggregate zu erreichen. Zu diesem Zweck wurden die mit der Polyäthylenschmelze in Berührung kommenden Scherflächen gekühlt. Dadurch stieg zwar die Energieaufnahme der Homogenisieraggregate, aber nur infolge des durch die Kühlung eintretenden vergrößerten Widerstandes im Spalt. Die Antriebsenergie wurde also in einem sehr engen Bereich in Wärme umgesetzt und damit die eigentliche Wirkung verfehlt.For example, it is known to melt the polyethylene in To expose homogenizing units to a shear gradient, the disruptive components being crushed and homogeneous in the melt to be distributed or resolved. So far, attempts have been made to achieve high shear stresses in the shear areas of the homogenizing units to reach. For this purpose, the shear surfaces coming into contact with the polyethylene melt were cooled. Through this The energy consumption of the homogenizing units increased, but only as a result of the increase caused by the cooling Resistance in the gap. The drive energy was so in one very narrow area converted into heat and thus the actual effect is missed.
Man homogenisierte deshalb bevorzugt Polyäthylengranulat, um die Homogenisierung bei relativ niedrigen Temperaturen vornehmen zu können. Dieses Granulat trägt jedoch adsorbierten Luftsauerstoff in das Homogenisieraggregat ein, der mit dem Polyolefin reagiert und Vernetzungen, aber auch übelriechende Abbauprodukte bildet. Diese Anteile wirken zwar bei der Weiterverarbeitung als Gleitmittel, verursachen-aber auch z.B. bei Folien ein verstärktes Blocken.It is therefore preferred to homogenize polyethylene granules in order to carry out the homogenization at relatively low temperatures can. However, these granules carry adsorbed atmospheric oxygen into the homogenizing unit, the one with the polyolefin reacts and forms cross-links, but also malodorous degradation products. These components act as a further processing Lubricants, but also cause an increased effect on foils, for example Block.
Es wurde auch schon vorgeschlagen, Polyäthylen aus einem Abscheider einer Hochdruck-Polyäthylen-Polymerisation ohne weitere Nachbehandlung zu Granulat oder zu Fertigteilen zu verarbeiten. Wie die Praxis jedoch zeigt, sind bei diesem Verfahren die Ober-' flächen der gefertigten Formteile, insbesondere Extrudate, schlierig und stippig, häufig rauh und schuppig.It has also been suggested to get polyethylene from a separator a high-pressure polyethylene polymerization process to granulate or finished parts without further treatment. As practice shows, however, with this process the surfaces of the molded parts, especially extrudates, streaky and speckled, often rough and scaly.
Nach einem anderen bekannten Verfahren versucht man, Granulat zur Herstellung von Normteilen mit optimalen Eigenschaften,According to another known method, attempts are made to produce granules for the production of standard parts with optimal properties,
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insbesondere ohne Stippen und Knötchen in der Oberfläche der Formteile, durch. Kühlen der Polyäthylen-Schmelze auf Temperaturen zwischen 150 - 1900C und intensives Mischen hei dieser Temperatur und anschließendes Extrudieren und Granulieren zu erzielen. Die Schmelze soll gleichzeitig dabei stabilisiert werden. · ·in particular without specks and nodules in the surface of the molded parts. To achieve cooling of the polyethylene melt to temperatures between 150-190 0 C and intensive mixing at this temperature and subsequent extrusion and granulation. The melt should be stabilized at the same time. · ·
Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der Polyätbylenschmelze zur Kühlung der Schmelze von der Polymerisationstemperatur (250° - 35O0C) auf unter 1900C sehr große Wärmeaustauschflächen vorgesehen oder sehr lange Yerweilzeiten eingehalten werden müssen. Es werden stets Schichten verschiedener Viskosität und damit unterschiedlicher Fließeigenschaften gebildet, die verschieden lange Verweilzeiten haben. So entstehen auch hier zusätzliche Stippen und Schlieren., It is disadvantageous that due to the low thermal conductivity of the Polyätbylenschmelze to cool the melt from the polymerization temperature in this process - is provided (250 ° 35O 0 C) to below 190 0 C very large heat exchange surfaces or very long Yerweilzeiten must be respected. Layers of different viscosity and thus different flow properties are always formed, which have different dwell times. This also creates additional specks and streaks.
Nachteilig wirkte sich auch beim Verarbeiten von Polyäthylenschmelze oder -granulat nach den bisher bekannten Verfahren in der Schmelze enthaltenes Äthylen aus. Formteile aus nicht genügend entgastem Polyäthylen zeigten häufig Blasen und Schaumstellen. The processing of polyethylene melt also had a disadvantageous effect or -granulate by the previously known processes from ethylene contained in the melt. Moldings from not sufficiently degassed polyethylene often showed bubbles and foam spots.
Es war daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Nachbehandeln von Polyäthylen zu entwickeln, das die geschilderten Nachteile vermeidet und ein Polyäthylen liefert, das bei der Weiterverarbeitung zu Halbzeug und Formteilen weitgehendst frei von Blasen und Einschlüssen aus vernetzten Anteilen oder Abbauprodukten ist und somit gegenüber dem bisher verwendeten Polyäthylen verbesserte optsiche, mechanische und rheologische Eigenschaften aufweist.It was therefore an object of the invention to provide a method for aftertreatment to develop of polyethylene that avoids the disadvantages described and provides a polyethylene that is used in the Further processing into semi-finished products and molded parts largely free of bubbles and inclusions from cross-linked components or degradation products and is thus improved optical, mechanical and rheological compared to the polyethylene used hitherto Has properties.
Diese Aufgabe wurde beim Nachbehandeln von Polyäthylen in einem Scheraggregat, wobei das in einem Hochdruckprozeß hergestellte Polyäthylen unter Ausschluß von Luftsauerstoff in schmelzflüssiger Form bei einer Temperatur von 200° bis 3000C und einer Vis-This task was achieved in the aftertreatment of polyethylene in a shear unit, the polyethylene produced in a high pressure process in molten form with the exclusion of atmospheric oxygen at a temperature of 200 ° to 300 0 C and a Vis-
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kosität von 5 x 10 bis 1 χ 10 Poise in das Scheraggregat eingeführt und einem Schergefälle ausgesetzt wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mit der Polyäthylenschmelze in Berührungviscosity of 5 x 10 to 1 χ 10 poise introduced into the shear unit and is exposed to a shear gradient, solved according to the invention in that the with the polyethylene melt in contact
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kommenden Scherflachen auf eine Temperatur erwärmt werden, die gleich, oder höher ist als die Temperatur der in das*Seher-, aggregat eintretenden Polyäthylenschmelze und daß die äthylenschmelze mit einer Schergeschwindigkeit von 1 χ 10 biscoming shear surfaces are heated to a temperature that equal to or higher than the temperature in the * seer-, aggregate entering polyethylene melt and that the ethylene melt with a shear rate of 1 χ 10 to
5 —1
1 χ 10 see geschert wird, mit der Maßgabe, daß das Produkt5-1
1 χ 10 see is sheared, with the proviso that the product
2 aus Schergeschwindigkeit und Verweilzeit im Scherbereich 5 x bis 5 x 104" beträgt.2 from the shear rate and dwell time in the shear area is 5 x to 5 x 10 4 ".
Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die Polyäthylenschmelze zwar nur einem relativ geringen Schergefälle ausgesetzt wird, die Energieaufnahme der ,.Schmelze aber durch Anwendung relativ hoher Schergeschwindigkeiten und entsprechend angepaßte Verweilzeiten mindestens 0,1-kwh pro kg Schmelze beträgt. Die P Erwärmung der mit der Schmelze in Berührung kommenden Scherflächen bewirkt außerdem, daß die Schmelze den Scherbereich weitgehend in Form einer Pfropfströmung durchläuft und damit etwa gleiche Verweilzeiten für alle den Seherbereich durchlaufenden Teilströme gewährleistet sind. Die Abstände der den Scherbereich bzw. die Scherbereiche begrenzenden Scherflächen richten sich nach den Eigenschaften des eingesetzten Polyäthylens und dem Durchsatz. Als Homogenisieraggregate können beispielsweise Schneckenpressen verwendet werden, die zwischen den eigentlichen Pörderabschnitten ein oder mehrere Scherbereiche aufweisen, die als Walzen ausgebildet sein können.Through these measures it is achieved that the polyethylene melt is only exposed to a relatively low shear gradient, the energy absorption of the, .Melt but relative through application high shear rates and correspondingly adapted residence times is at least 0.1 kWh per kg of melt. the P Heating of the shear surfaces coming into contact with the melt also causes the melt to open the shear area largely in the form of a plug flow and thus approximately the same dwell times for all those passing through the viewing area Partial flows are guaranteed. The distances between the shear surfaces delimiting the shear area or areas depend on the properties of the polyethylene used and the throughput. As a homogenizing unit, for example Screw presses are used that have one or more shear areas between the actual conveyor sections, which can be designed as rollers.
Es wurde ferner gefunden, daß man Polyäthylen zu besonders w hochwertigem Halbzeug oder Formteilen, d.h. solchen- mit hohem Glanz und guter Transparenz bei guten mechanischen Eigenschaften verarbeiten kann, wenn die dem Schergefälle ausgesetzte Polyäthylenschmelze beim Eintritt in das Scheraggregat -Äthylen in einem Mengenanteil von 0,01 bis 0,5 Gew.^ bezogen auf'die Gesamtmenge der Schmelze enthält. Da das in der Schmelze enthaltene Äthylen mit in der Schmelze enthaltenen oder sich im Scherbereich bildenden Radikalen reagiert, wird der Wiederaufbau unerwünscht langer Molekülketten bzw. eine Vernetzung von Teilen der Polyäthylenschmelze vermieden und dem Polyäthylen optimale mechanische und optische Eigenschaften verliehen.It has further been found that polyethylene at especially w high-quality semi-finished products or molded parts, ie solchen- can process with high gloss and good transparency with good mechanical properties when exposed to the shear rate Polyäthylenschmelze on entry into the shearing unit -Äthylen in an amount ranging from 0 , 01 to 0.5 wt. ^ Based on the total amount of the melt contains. Since the ethylene contained in the melt reacts with radicals contained in the melt or forming in the shear range, the reconstruction of undesirably long molecular chains or crosslinking of parts of the polyethylene melt is avoided and the polyethylene is given optimal mechanical and optical properties.
Darüber hinaus wurde gefunden, daß die nach der Scherung inIn addition, it was found that the after shear in
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der Polyäthylenschmelze noch, vorhandenen Äthylenanteile mit den Radikalen der Schmelze weiterreagieren, wenn der Zutritt von Luftsauerstoff weiterhin ausgeschlossen wird. Die Reaktion verläuft in der ganzen Schmelze besonders gleichmäßig, wenn ein Wärmeabfluß aus der Schmelze vermieden wird. Das kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß, die Wandungen der Behälter und Rohrleitungen ebenso wie die Scherflächen in dem Scheraggregat auf die Temperatur der Schmelze oder darüber erwärmt werden.the polyethylene melt still, with existing ethylene components the radicals of the melt continue to react if the access of atmospheric oxygen is still excluded. The reaction runs particularly evenly throughout the melt if heat is avoided from the melt. That can for example take place in that the walls of the container and pipelines as well as the shear surfaces in the Shear assembly to be heated to the temperature of the melt or above.
Der Torteil bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den bisher benutzten Methoden ist insbesondere darin zu sehen, daß das aufbereitete Polyäthylen bei verbesserten Yerarbeitungseigenschaften bessere optische Eigenschaften, eine erhöhte mechanische "Festigkeit und erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsrißkorrosion aufweist. Weitere YorzÜge des erfindungsgemäßen Verfahrens können den nachfolgenden Beispielen entnommen werden.The gate part when using the method according to the invention compared to the methods previously used is in particular therein to see that the recycled polyethylene with improved processing properties better optical properties, a increased mechanical "strength and increased resistance to stress corrosion cracking. Further advantages of the Process according to the invention can be found in the following examples.
Aus dem Röhrenreaktor einer Hochdruck-Polyäthylen-Polymerisationsanlage wird Polyäthylen-Schmelze der Dichte 0,918,dem Schmelzindex MI = 0,25 und mit einem A*thylengehalt von 0,12 Gew.# bei einer !Temperatur von 25O0O und einem Druck von 4 atü einer Zahnradpumpe zugeführt, die die Schmelze ohne weitere Aufbereitung mit einem Druck von 100 atü aus der Ringdüse einer Folienblasanlage zu Schlauchfolie von 200 /U Wandstärke extrudiert. Nach diesem Verfahren verarbeitetes Polyäthylen liefert Schlauchfolien, deren Oberflächen rauh und schuppig sind. Der Schmelzindex dieser Schlauchfolie beträgt MI = 0,5, .die Schockfestigkeit beträgt 1200 cmkp/cm . An den Düsenlippen setzen sich niedermolekulare Schmelzanteile nach wenigen Minuten ab.From the tubular reactor of a high pressure polyethylene polymerization is polyethylene melt density 0.918, melt index MI = 0.25 and with an A * thylengehalt of 0.12 wt. # At a! Temperature of 25O 0 O and a pressure of 4 atü is fed to a gear pump, which extrudes the melt without further preparation at a pressure of 100 atü from the ring nozzle of a film blowing machine to form tubular film with a wall thickness of 200 / U. Polyethylene processed according to this process produces tubular films with rough and flaky surfaces. The melt index of this tubular film is MI = 0.5, the shock resistance is 1200 cmkp / cm. After a few minutes, low molecular weight portions of the melt settle on the nozzle lips.
Polyäthylenschmelze gleicher physikalischer und chemischer Eigenschaften wie bei Beispiel 1 aus der gleichen Polymerisationsanlage wird bei gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 einer ein-.spindligen Schneckenpresse zugeführt, deren Schnecke aus zweiPolyethylene melt with the same physical and chemical properties As in example 1 from the same polymerization plant, under the same conditions as in example 1, a single spindle Screw press fed whose screw consists of two
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Förderabschnitten und einer dazwischenliegenden Reibwalze besteht, deren Sehergeschwindigkeit bei einem Schneckendurchmesser von 120 mm und einem Reibwalzendurchmesser von 117 mm, in deren Scherbereich die Schmelze eine Verweilzeit von 2 Sekunden hat, bei 300 U/Min im Scherebereich 1250 see" beträgt. Sie extrudierte Schlauchfolie aus dieser Schmelze hat einen Streuwert von 40 und einen Glanz von 85. Der Schmelzindex beträgt MI ja 0,15 und die Schockfestigkeit 1800 cm kp/cm2.Conveyor sections and an intermediate distribution roller, the speed of which is 1250 seconds at 300 rpm in the shear area with a screw diameter of 120 mm and a distribution roller diameter of 117 mm, in the shear area of which the melt has a dwell time of 2 seconds this melt has a scatter value of 40 and a gloss of 85. The melt index is MI yes 0.15 and the shock resistance is 1800 cm kp / cm 2 .
Polyäthylen-Schmelze der Dichte 0,918, dem Schmelzindex MI = 0,25 und einem Äthylengehalt von 0,2 Gew.# wird bei 25O°C von einer Schneckenpresse, deren Schnecke Pörder- und Scherbereiche hat, die auf einer Temperatur von 2600G gehalten werden, durch eine auf 2500C mantelbeheizte Rohrleitung von 100 mm lichter Weite und 25 m Länge zu einer Polienblasanlage gefördert. Bei einem Durchsatz von 80 kg/Std. beträgt die Terweilzeit in der Rohrleitung 2,23 Std., die Strömungsgeschwindigkeit 11,1 m/Std. Daraus resultiert eine Schergeschwindigkeit von 222 Std. .Polyethylene melt density 0.918, melt index MI = 0.25 and an ethylene content of 0.2 wt. # Is maintained at the 25O ° C by a screw extruder whose screw has Pörder- and shear areas at a temperature of 260 0 G are conveyed through a pipe heated to 250 0 C jacket with 100 mm inside width and 25 m length to a Polienblasanlage. With a throughput of 80 kg / hour. the dwell time in the pipeline is 2.23 hours and the flow rate is 11.1 m / hour. This results in a shear rate of 222 hours.
Aus dieser Schmelze extrudierte Schlauchfolie hat einen Streuwert von 30, einen Glanz von 95, einen Schmelzindex MI = 0,16 und eine Schockfestigkeit von 2200 cm kp/cm .Tubular film extruded from this melt has a scatter value of 30, a gloss of 95, a melt index MI = 0.16 and a shock resistance of 2200 cm kp / cm.
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